Понятие интерфейса и его характеристики

Аппаратным интерфейсом принято называть совокупность правил унифицированного взаимодействия между отдельными устройствами, а также совокупность аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации этих правил. Взаимодействие осуществляется с помощью сигналов, передаваемых посредством электрических (или оптических) цепей, называемых линиями интерфейса; совокупность линий, сгруппированных по функциональному назначению, принято называть шиной интерфейса. Унификация правил взаимодействия направлена на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости; именно унификация и стандартизация лежат в основе построения интерфейсов.

Информационная совместимость достигается за счет единых требований, предъявляемых к структуре и составу линий интерфейса, алгоритмам взаимодействия, способам кодирования и форматам данных, управляющей и адресной информации, временным соотношениям между сигналами.

Электрическая совместимость означает согласованность параметров электрических или оптических сигналов, передаваемых средой интерфейса, соответствие логических состояний уровням сигналов; электрическая совместимость определяет требования к нагрузочной способности компонентов и характеристикам используемых линий передачи (длина, допустимая активная и реактивная нагрузка, порядок подключения схем согласования и т.д.).

Конструктивная совместимость означает возможность механического соединения электрических цепей, а иногда и механической замены некоторых блоков; этот вид совместимости обеспечивается стандартизацией соединительных элементов (разъемов, штекеров и т.п.), кабелей, конструкций плат и т.д.

Интерфейсы в СВВ возникают между различными уровнями иерархии физической структуры ВС, поэтому требования, предъявляемые к организации обмена, существенно различаются.

 

Рис.2.1, а. Система интерфейсов ЕС ЭВМ.

 

Рис. 2.1, б. Система интерфейсов мини- и микроЭВМ.

 

Единый стандартный интерфейс не смог бы обеспечить эффективную работу разнообразных устройств, используемых на различных уровнях иерархии СВВ. Этим объясняется наличие системы интерфейсов различных рангов, отличающихся характеристиками и степенью унификации.

В зависимости от требований унификации выделяют:

— физическую реализацию интерфейса, т.е. состав и характеристики линий передачи, конструкцию средств их подключения (например, разъем), вид и характеристики сигналов;

— логическую реализацию интерфейса, т.е. протоколы взаимодействия, или алгоритмы формирования сигналов обмена.

В широком смысле протокол определяет совокупность правил реализации определенной функции, например, обмена, и в этом случае может включать требования, охватывающие интерфейсы нескольких рангов.

Система аппаратных интерфейсов является одной из основных составляющих понятия архитектуры ВС. На рис.2.1 а и б показаны интерфейсы для машин ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ, соответственно. В структуре ВС с выделенными ПВВ отметим интерфейсы четырех рангов. Через интерфейс И1 производится обмен информацией между ОП и процессорами (ЦП или ПВВ); через интерфейс И2 — управляющей информацией между ЦП и ПВВ. Интерфейсы И1 и И2 являются внутренними, отражающими особенности конкретной модели и не унифицируются. Интерфейсы ввода—вывода (И3) обеспечивают обмен между ПВВ и контроллерами ПУ (КПУ); они стандартизуются, что дает возможность использовать одинаковые контроллеры и ПУ в различных моделях ЭВМ одной системы.

Интерфейсы И4 образуют группу так называемых «малых» интерфейсов, посредством которых собственно ПУ сопрягается с контроллером. Степень унификации малых интерфейсов зависит от типа ПУ и контроллера. Так, если контроллер предназначен для управления только одним ПУ и конструктивно объединен вместе с ним, то их интерфейс не унифицируется. Если же контроллер предназначен для одновременного обслуживания множества ПУ, то соответствующий малый интерфейс должен быть стандартизован. При подключении аппаратуры систем передачи данных соответствующие интерфейсы принято называть стыками.

Для мини- и микроЭВМ характерно (рис.2.1, 6) наличие интерфейса И₀, посредством которого связаны между собой ЦП, ОП и контроллеры. Этот интерфейс принято называть системным (или объединенным), он унифицирован для всего семейства ЭВМ. Контроллеры в мини- и микроЭВМ достаточно просты, так как управление обменом между ПУ и ОП осуществляется в значительной мере программным путем. Это позволяет для семейств ЭВМ с различными интерфейсами И₀ использовать одинаковые ПУ (но с разными контроллерами).

Рис.2.1, в. Структура внутренних и внешних интерфейсов ПЭВМ IBM PC/AT.

 

У персональных ЭВМ также имеется система внутренних и внешних интерфейсов (рис.2.1, в). Системные шины (S-шины) стандартизируются в рамках систем ПЭВМ и аналогичны по назначению интерфейсам И₀ мини- и микроЭВМ (ISA, EISA, MCA и др.). L-шина почти полностью определяется внешним интерфейсом используемого в ПЭВМ микропроцессора. Интерфейс М-шины (шины памяти) сориентирован, как правило, на динамические элементы памяти, скомпонованные в модули (SIMM, DIMM и т.п.) и реализуется на основе контроллера динамической памяти. X-шина (шина периферийных БИС) служит для организации взаимодействия центральной части ПЭВМ с восьмиразрядными программируемыми БИС (большими интегральными схемами) на базе которых реализован ряд подсистем (подсистема аппаратных прерываний, подсистема прямого доступа к памяти, подсистемы часов реального времени и программируемого таймера, контроллер клавиатуры).

С появлением процессора i80486 появилась потребность в резком повышении производительности системной шины и родилась локаль­ная шина VLB. Однако она являлась дополнением к слоту шины ISA/EISA и использовалась в основном лишь для графических карт и дисковых контролле­ров. Принципиальная привязка к шине процессора 486 не обеспечила ей долго­го существования. С процессорами i80486 появилась и другая скоростная шина — PCI. Она является новым «этажом» в архитектуре PC, к которому подключаются шины типа ISA/EISA. PCI укрепила свои позиции и сейчас является стандартной для компьютеров с процессорами 4, 5 и 6 поколений. Более того, она используется и в компьютерах «не-РС» — Power PC и некоторых других мощных платформах. Развитием шины PCI, нацеленным на дальнейшее повышение производительности обмена, явился порт AGP, специально предназначенный для подключения мощных графических адаптеров. Местоположение шин в архитектуре современного компьютера иллюстрирует рис. 2.1, г.

Рис. 2.1, г. Шины расширения в архитектуре PC; чипсет - это набор микросхем сверхбольшой степени интеграции (СБИС), которые выполняют функции основного связующего звена между всеми компонентами системной платы ПЭВМ.

 

Система малых внешних интерфейсов (интерфейсы И4) в ПЭВМ представлена: последовательными интерфейсами COM-портов, клавиатуры, гибких дисков, видеомонитора, универсальной последовательной шины (USB), музыкальных инструментов (MIDI), локальной сети; параллельными интерфейсами LPT-порта и жестких дисков (IDE, SCSI); дискретно-аналоговым интерфейсом игрового порта и другими.

Интерфейсы принято характеризовать следующими параметрами:

— видом связи, т.е. возможностью вести дуплексную (сообщения могут одновременно передаваться в двух направлениях, что требует двух каналов связи), полудуплексную (сообщения могут передаваться в двух направлениях, но одновременно возможна передача только в одном) или симплексную передачу (сообщения могут передаваться только в одном направлении);

— пропускной способностью, т.е. количеством информации, передаваемой через интерфейс в единицу времени;

— максимально допустимым расстоянием между устройствами или суммарной длиной линий, соединяющих все устройства интерфейса;

— задержками при организации передачи, которые вызваны необходимостью выполнения подготовительных и завершающих действий по установлению связи между устройствами.

Конкретные значения этих параметров зависят от множества факторов, в частности от информационной ширины интерфейса, способа синхронизации, среды интерфейса, топологической структуры соединений и организации линии интерфейса, совмещения или функционального разделения линий. Все эти факторы определяют организацию интерфейса.

 

Организация интерфейсов

Организация интерфейсов определяется способами передачи информации (параллельной или последовательной, асинхронной или синхронной), соединением устройств и используемыми линиями.

Последовательная и параллельная передача информации. Цифровые сообщения могут передаваться в последовательной и параллельно—последовательной форме; соответственно интерфейсы принято делить на последовательные и параллельные.

В последовательном интерфейсе передача данных осуществляется всего по одной линий, хотя общее число линий может быть и больше. В этом случае по дополнительным линиям передаются сигналы синхронизации и управления. Интерфейсы последовательного типа характеризуются относительно небольшими скоростями передачи и низкой стоимостью сети связи. Они могут применяться для подключения низкоскоростных ПУ, расположенных на значительных расстояниях от центрального ядра ЭВМ (интерфейсы ранга И4).

В параллельном интерфейсе передача сообщения выполняется последовательно квантами, содержащими m бит. Каждый квант передается одновременно по m линиям; величина m называется шириной интерфейса и обычно соответствует или кратна байту. Наиболее распространены параллельные интерфейсы, в которых m=8, 16 и 32. (Для внутренних интерфейсов ранга И1 и И2 высокопроизводительных ЭВМ ширина интерфейса может быть значительно больше).

Разброс параметров среды интерфейса, т.е. его линий и приемо-передающей аппаратуры, вызывает неодинаковые искажения фронтов и задержки сигналов, передаваемых по разным линиям Л1— Лm. Это означает, что одновременно выданные передатчиком ПРД сигналы на линии Л1—Лm воспринимаются приемником ПРМ не одновременно, а в интервале (tl, t2) (см.рис.2.2, а и б). Такое явление называется перекосом информации. В интервале (tl, t2) приемник может воспринять любую кодовую комбинацию {х_i}, i=(l,..m), отличную от комбинации {Ь_i}, передаваемой устройством ПРД. Для исключения возможности приема неправильной кодовой комбинации в параллельных интерфейсах вводят дополнительную линию стробирования. Сигнал строба STR, передаваемый по ней, должен поступить в приемник ПРМ в момент t_str, соответствующий завершению установления на входах ПРМ состояния {Ь_i}, т.е. в момент, когда выполняется условие t_str > t2. При этом необходимо передать сигнал STR с задержкой относительно момента выдачи информационных сигналов на линии Л1 — Лm.

t_str > 2max(∆ τ _{i, j}) = 2max │ ti, - tj│,

где ti, tj— самый ранний и самый поздний моменты поступления сигналов в приемник ПРМ по линиям i и j, соответственно при одновременной их выдаче передатчиком; ∆ τ _{i, j} — возможный разброс моментов поступления сигналов по линиям Л1— Лm, а ∆ τ _str — полинии строба.

 

Рис. 2.2. Передача данных в параллельном интерфейсе.

 

В дальнейшем будет в основном использоваться условная форма временной диаграммы, приведенной на рис.2.2, в, на которой параллельная передача сигналов по линиям Л1—Лm обозначена одной широкой полосой, суженная часть которой соответствует интервалу перекоса (tl., t2), строб показан в виде сигнала идеальной формы в момент завершения интервала перекоса.

Синхронная и асинхронная передача информации. Взаимодействие передатчика ПРД и приемника ПРМ предполагает согласование во времени моментов передачи и приема квантов информации. При синхронной передаче передатчик ПРД поддерживает постоянные интервалы между очередными квантами информации в процессе передачи всего сообщения или значительной его части. Приемник ПРМ независимо или с помощью поступающих от передатчика управляющих сигналов обеспечивает прием квантов в темпе их выдачи.

Для реализации синхронного режима передачи при последовательном интерфейсе передатчик ПРД в начале сообщения передает заранее обусловленную последовательность бит, называемую символом синхронизации SYN, Переход линии интерфейса из состояния «0» в состояние «1» используется приемником для запуска внутреннего генератора, частота которого совпадает с частотой генератора в передатчике; приемник ПРМ распознает передаваемый символ SYN, после чего принимает очередной символ сообщения, начиная с его первого бита. Этот процесс иллюстрируется на рис.2.3, а. Постоянство интервалов передачи (и приема) символов обеспечивается синхронно работающими независимыми генераторами в передатчике и приемнике, которые обладают высокой стабильностью частоты. При высоких скоростях передачи используется синхронизация генератора приемника посредством использования самосинхронизирующегося кодирования передаваемых данных (например, манчестерского кода). При нарушении условий синхронизации (процессор не успел подготовить очередные данные для передачи) передатчик должен

Рис. 2.3. Синхронная передача.

 

вставить в последовательность передаваемых байт сообщения дополнительные символы SYN.

Если при последовательной передаче используются дополнительные линии интерфейса, то синхронная передача передатчика и приемника поддерживается сигналами синхронизации, передаваемыми по линиям управления от передатчика к приемнику.

Аналогично с помощью сигнала синхронизации реализуется синхронная передача в параллельном интерфейсе. В качестве сигнала синхронизации используется стробирующий сигнал. Очередной квант информации передается только после того, как предыдущий квант принят, зафиксирован и распознан в приемнике, т.е. по прошествии интервала T_ci. Если передача сообщений через интерфейс производится между передатчиком ПРД и одним из нескольких приемников ПРМ, то интервал синхронизации Т устанавливается в расчете на наиболее медленный приемник ПРМ, т.е.

Т > mах T_ci

Передачу называют асинхронной, если синхронизация передатчика и приемника осуществляется при передаче каждого кванта информации. Интервал между передачей квантов непостоянен. При последовательном интерфейсе каждый передаваемый байт «обрамляется» стартовыми и стоповыми сигналами, как показано на рис.2.3, 6. Стартовый сигнал изменяет состояние линии интерфейса и служит для запуска генератора в приемнике; стоповый сигнал переводит линию в исходное состояние и останавливает работу генератора. Таким образом, синхронизация передатчика и приемника поддерживается только в интервале передачи одного байта.

При параллельном интерфейсе режим асинхронной передачи обычно реализуется по схеме «запрос-ответ», рис.2.4, а. Приемник ПРМ, получив сигнал по линии строба и зафиксировав байт сообщения по линиям Л1—Лm, формирует ответный сигнал-квитанцию RCP, пересылаемый в передатчик ПРД; такую передачу называют передачей с квитированием. Сигнал RCP является разрешением передатчику перевести линии Л1—Лm и линию стробирования в исходное состояние, после чего приемник ПРМ также сбрасывает сигнал RCP. Сброс сигнала RCP служит для передатчика разрешением на передачу очередного байта. Затраты времени на асинхронную передачу Та составляют при τ _ПРД = τ _ПРМ = τ

Та = 4 τ _Л + 2 τ _ПРД + 2 τ _ПРМ = 4(τ _Л + τ ),

где τ _Л — время распространения сигнала по линии, — τ _ПРД и τ _ПРМ задержки на формирование ответного сигнала в приемнике и передатчике. Отметим, что линии Л1— Лm используются для передачи квантов сообщения только в течение половины интервала Tа.

 

Рис. 2.4. Передача по схеме «запрос-ответ».

 

Для увеличения пропускной способности асинхронного интерфейса можно реализовать «ускоренную» передачу с двумя линиями стробирования (STR1 и STR2) и квитирования (RCP1 и RCP2), рис.2.4, б. Передача информационных сигналов по линиям Л1 - Лm производится почти в два раза чаще; безразличное состояние линий Л1—Лm отсутствует, а выдача квантов информации стробируется разными сигналами STR1 и STR2. Интервал Та между выдачей квантов информации составит Tа = 2 (τ _Л + τ )).

Квитирование позволяет как бы подстроить темп обмена под каждое конкретное устройство и обеспечить в ряде случаев высокий темп обмена, несмотря на необходимость передачи сигналов в двух направлениях. Кроме того, квитирование обеспечивает высокую надежность передачи и достоверность передаваемых данных. Однако при передаче с квитированием может возникнуть ситуация, при которой процесс обмена прерывается из-за отказа, повлекшего отсутствие сигнала квитанции. Выявление подобных ситуаций основывается на измерении интервала времени, в течение которого передатчик гарантированно должен получить сигнал—квитанцию. Если за этот установленный интервал Т_OT сигнал передатчиком не будет получен, то фиксируется отказ. Такой контроль называют контролем по тайм-ауту, а интервал Т_OT — интервалом тайм-аута, величина которого должна отвечать условию:

Т_OT > mах {Тai},

где Tai— возможные интервалы между выдачей квантов информации устройствами при отсутствии отказов.

Соединение устройств и организация линий интерфейса. Соединение между собой нескольких устройств выполняется посредством индивидуальных линий для каждой пары устройств (двухточечная схема) или общей для всех устройств среды интерфейса на основе разделения времени. Во втором случае для предотвращения конфликтных ситуаций, возникающих при попытках нескольких устройств одновременно использовать общую среду, выделяют специальную схему управления интерфейсом, обычно называемую арбитром.

В общем случае могут быть реализованы следующие виды обмена:

· передача от одного устройства только одному другому;

· от одного устройства всем другим (трансляционный обмен);

· от одного устройства нескольким произвольно назначаемым устройствам (групповой обмен).

Аппаратные интерфейсы СВВ обычно реализуют только первый вид обмена — между двумя устройствами, причем оба устройства назначаются произвольно или одно из них (обычно центральное, обозначаемое ниже Уц) фиксируется при разработке ВС. Организация интерфейса должна предоставлять возможность устройству:

— занимать общую среду интерфейса на время передачи сообщения; процесс предоставления среды интерфейса одному устройству называется арбитражем и выполняется схемами арбитра;

— обращаться к другому устройству по его адресу; этот процесс называют адресацией;

— идентифицировать устройство, инициирующее обмен; этот процесс неразрывно связан с процедурой арбитража и его основой является последовательный опрос устройств.

Организация адресации и опроса, а также структура схемы управления интерфейсом в значительной степени определяются способом соединения устройств. По этому признаку различают радиальный, магистральный, цепочный и комбинированный интерфейсы.

Радиальный интерфейс. Центральное устройство Уц соединено с подчиненными устройствами У1, ..., Уn посредством индивидуальных линий, монопольно принадлежащих каждому из них, рис.2.5.

Рис.2.5. Радиальный интерфейс.

 

Управление интерфейсом полностью сосредоточено в устройстве Уц. При необходимости передать или получить квант информации от Уi по инициативе центрального устройства Уц на регистр РгА заносится адрес устройства Уi и в соответствии с ним переключатель К соединяет линии Лц с линиями Лi. При этом устройства Уц и Уi соединяются между собой, а все остальные устрой­ства отключаются и в обмене участия не принимают. Если инициатива обме­на исходит от периферийного устройства Уi, то оно передает сигнал по своей линии запроса (на рисунке показаны штриховыми), который поступает в i-й разряд регистра запроса РгЗ. Как только Уц освобождается от предыдущего обмена, его устройство управления интерфейсом УУ последовательно опрашивает разряды регистра РгЗ и посредством переключателя К соединяет линии Лц с соответствующими линями Лi устройства Уi. Порядок опроса разрядов РгЗ определяет приоритет обслуживания устройств Уi.

Отличительными особенностями радиального способа подключения являются:

· сосредоточенное в центральном устройстве управ­ление интерфейсом, которое предназначено для согласования моментов приема и передачи сообщения;

· наличие индивидуальных информационных линий, требующих значительных затрат на приемопередающую аппаратуру, и кабелей связи;

· использование минимального числа линий управления;

· возможность сравнительно просто приспособить ПУ к требованиям интерфейса, а также производить физическое подключение и отключение устройств без нарушения непрерывной работы других.

Этот способ характерен для интерфейсов нижних рангов, особенно при последовательном способе передачи информации; ему отдают предпочтение при необходимости подключения к ЭВМ достаточно простых ПУ, например, устройств технологической автоматики и контрольно-измерительной аппарату­ры.

Магистральный интерфейс. Центральное устройство Уц соединено с подчиненными устройствами У1, ..., Уn посредством единой магистрали, используемой ими на основе разделения времени (рис.2.6). Сигнал на любой линии магистрали физически доступен каждому устройству, поэтому для организации обмена между устройством Уц и одним из подчиненных устройств необходимо логически отключить все остальные. Всем устройствам Уi, подключенным к магистрали, присвоены адреса (номера), которые фиксируются в виде собственного адреса устройства на специальных регистрах, размещенных во всех Уi. Адреса устройств одной магистрали не повторяются; запись адреса в регистр устройства Уi производится при подключении его к магистрали.

Предположим, что обмен производится по инициативе устройства Уц. Тогда оно производит цикл адресации, заключающийся в передаче адреса запрашиваемого устройства по магистрали.

Адрес поступает во все устройства Уi, где производится сравнение переданного адреса с собственным адресом. Однако совпадение собственного и запрашиваемого адреса произойдет в одном устройстве. При этом устройство Уi устанавливает сигнал готовности к приему информации от Уц или запрашиваемую информацию для Уц на линии магистрали.

Если обмен в интерфейсе производится по инициативе подчинен­ного устройства Уi, то вначале исключается возможность использо­вания магистрали любым другим устройством. С этой целью в магистрали предусматривают специальную линию запросов (на рис.2.6 линия ТРБ), на которую любое устройство Уi независимо от других может выставлять сигнал запроса (или требования ТРБ). Сигнал запроса означает для Уц, что на магистрали имеется одно или несколько устройств Уi, запрашивающих обмен. Обнаружив сигнал запроса (эту функцию выполняет схема анализа ТРБ), устройство Уц должно дать разрешение на занятие магистрали только одному из запрашивающих устройств Уi для выполнения передачи данных. Для этого проводится опрос устройств Уi, т.е.

 

Рис. 2.6. Магистральный интерфейс.

 

устройство Уц последовательно осуществляет адресацию всех Уi до тех пор, пока не получит подтверждения запроса. Подтверждение запроса может быть передано любым способом, например, по информационной шине, так как в процессе опроса при последовательном переборе адресов каждое из устройств Уi получает разрешение на занятие магистрали. Так, при совпадении собственного и запрашиваемого адресов устройство Yi может выставить на информационную шину свой адрес, подтвердив совпадение, или какой-нибудь код, означающий несовпадение; кроме того, может быть выделена специальная линия для передачи сигнала подтверждения. Устройство Уц, получив подтвер­ждение от Уi, прекращает дальнейшее формирование адресов, т.е. приостанавливает опрос, а устройство Уi, которое в процессе опроса опознало свой адрес и подтвердило совпадение адресов, логически подключается к магистрали для передачи данных.

При магистральном способе подключения управление интерфей­сом распределено между центральным устройством Уц, которое содержит схему анализа запросов и средства формирования последо­вательностей адресов, и подчиненными У1, ..., Уn устройствами, которые содержат регистр собственного адреса, схему совпадения адресов и схему запроса обмена. Устройство Уц разрешает конфликты одновременного обращения в соответствии с порядком опроса устройств Уi, который легко изменяется программным путем. Объем приемопередающей аппаратуры и кабельных соединений уменьшается, но усложняется схема управления в Уi Сигналы на линиях магистрали доступны одновременно всем устройствам, поэтому передача адресов и данных не требует значительных затрат времени, однако процедура опроса весьма длительна из-за последовательного перебора адресов Уi. Вследствие этого в реальные интерфейсы, построенные по магистральному способу с параллельными коллективными линиями, добавляют элементы радиального или цепочного подключения.

Цепочный интерфейс. При цепочном интерфейсе подчиненные устройства У1,..., Уn подключаются к центральному последовательно, образуя цепочку (рис.2.7).

 

Рис. 2.7. Цепочный интерфейс.

 

В такой цепочке всем устройствам У1,..., Уn присваиваются неповторяющиеся адреса. Тогда, если обмен инициируется устройством Уц, адрес запрашиваемого устройства (Уi) передается на линии Л1 и попадает в устройство У1. Запрашиваемый адрес в устройстве У1 сравнивается с собствен­ным адресом У1. Если адреса не совпали, то коммутатор К соединяет линии Л1 с линиями Л2. Таким образом адрес запрашиваемого устройства попадает в У2 и процедура повторяется. Если значения адресов совпали, то коммутатор К остается в разомкнутом состоянии, а устройство, опознавшее свой адрес, логически подключается к Уц. При цепочной схеме подключения устройств процедура адресации выполняется последовательно.

Пусть обмен инициируется одним из устройств У1,..., Уn, например, У2. При этом устройство отключает посредством комму­татора К все устройства более низкого приоритета (У3,..., Уn), т.е. размыкает линии Л3. Затем устройство У2 передает свой адрес по линии Л2. Этот адрес либо передается устройством У1 на линии Л1, если У1 не ведет обмена, для чего коммутатор К в У1 подключает линии Л2 к линиям Л1; либо блокируется, если устройство У1 ведет обмен с Уц. Процедура опроса не требует последовательного перебора адресов У1,..., Уn, что значительно ее ускоряет. Однако в описанном виде цепочное подключение устройств не используется. Это объясняется значительными затратами времени на процедуру адресации из-за ее последовательного характера, значительными затратами на коммутирующую аппаратуру и невозможностью физического отключения устройств без нарушения работы других.

Комбинированные интерфейсы. В комбинированных интерфейсах используется магистральный принцип параллельной передачи информации, а для ускорения идентификации устройств используются управляющие линии, соединяющие устройства по радиальному (магистрально-радиальный интерфейс) или цепочному (магистрально—цепочный интерфейс) принципу.

На рис.2.8 приведена структура магистрально-радиального интерфейса. Все виды информации передаются по параллельной магистрали М. При необходимости связаться с каким-либо устройством Уi, центральное устройство Уц передает ему сигнал по индивидуальной линии управления (разрешение работы). Этот сигнал служит для подключения устройств к магистрали М с помощью коммутатора К; все остальные устройства от магистрали отключены, но имеют возможность передачи сигналов запроса по своим индивидуальным линиям управления в блок управления магистралью (арбитр), расположенный в Уц. Таким образом, каждое из устройств У1,..., Уn соединено с Уц двумя индивидуальными линиями: линией запроса и линией разрешения. Устройство Уц анализирует запросы, поступившие по системе индивидуальных линий в регистр запросов, и в зависимости от принятой системы приоритетов выдает сигнал на одну из линий разрешения работы, тем самым обеспечивается связь по магистрали М центрального устройства Уц с одним из устройств У1,..., Уn.

 

Рис. 2.8. Магистрально-радиальный интерфейс. Рис.2.9. Магистрально-цепочный интерфейс.

 

Магистрально-цепочная структура является наиболее распространенной в аппаратных интерфейсах СВВ. Все виды информации передаются по общей магистрали; адресация выполняется так же, как и в магистральном интерфейсе, но для ускорения идентификации предусматривается линия управления, соединяющая устройства У1,..., Уn по цепочному принципу. Магистрально—цепочная структура позволяет строить интерфейсы, в которых возможен обмен между фиксированным и произвольно выбираемым устройством либо между двумя произвольными устройствами.

Устройство, запрашивающее обмен, называют ведущим (или задатчиком ЗДТ), а второе устройство, участвующее в обмене, — ведомым (или исполнителем ИСП). Разрешение конфликтов выполняет арбитр (АРБ). Схема арбитра может быть сосредоточенной и распределенной. В первом случае цепочная линия интерфейса служит для передачи сигнала разрешения (выборки ВБР) от арбитра всем устройствам, которые могут инициировать обмен. Для согласования работы арбитра и устройств предусматриваются линии запроса (ТРБ) и указания занятости магистрали (ЗАН) — рис.2.9. Если инициируется обмен со стороны устройств У1,..., Уn, то каждое из них может выставлять сигнал запроса на линию ТРБ. Получив этот сигнал, устройство Уц с целью селекции запрашивающего устройства начинает процедуру опроса, т.е. выдает сигнал на линию ВБР. Сигнал ВБР поступает на устройство У1. В случае, если обмен инициирован устройством У1, т.е. сигнал ТРБ сформирован в У1, линии магистрали посредством коммутатора К подключаются к У1, устройство формирует сигнал ЗАН, а сигнал ВБР на следующее устройство У2 не передает. Если сигнал ТРБ был сформирован каким-либо другим устройством, то устройство У1 передает сигнал ВБР по цепочной линии на устройство У2, где производится такой же анализ. Таким образом, последовательный анализ наличия запроса на обмен в каждом из устройств У1,..., Уn позволяет выделить одно из них, обладающее наибольшим приоритетом среди всех устройств, инициирующих обмен. Для своей идентификации устройство Уi в начале сообщения передает собственный адрес.

Для реализации распределенной схемы арбитража вводят сигнал тактирования; при этом сигнал разрешения по-прежнему передается по цепочной линии. Распространение сигнала разрешения может быть прервано любым устройством, однако только в момент положительного (или отрицательного) фронта сигнала тактирования. Любое устройство может начинать передачу сообщения по магистрали при наличии сигнала разрешения, но только в момент отрицательного (положительного) фронта сигнала тактирования. Подробнее эта процедура рассмотрена на примере интерфейса И-41.

Организация линий интерфейса. Помимо деления линий на индивидуальные и коллективные, их принято делить по критерию возможного направления передачи на одно- и двунаправленные, а по критерию возможности совмещения передачи различных видов информации на полностью совмещенные, с частичным совмещением и полным разделением.

При изменении электрического потенциала сигнал распространяется по проводнику во всех направлениях одинаково (со скоростью света), поэтому термины «однонаправленная» и «двунаправленная» означают не направление распространения сигнала по линии, а право изменять потенциал на ней. Правом изменять потенциал линии обладает передатчик. Таким образом, если передатчики располагаются с обоих концов линии, то ее называют двунаправленной. Двуна­правленный характер передачи по линии делает невозможным использование обычных логических ТТЛ-схем, поэтому для двунаправленных линий применяют схемы с открытым коллектором или схемы с тремя устойчивыми состояниями.

Между центральным и периферийным устройствами необходимо передавать информацию различных типов: адреса, собственно данные, управляющую информацию. Если для передачи каждого вида информации предусматриваются отдельные шины, то их называют шинами с полным разделением. Совмещение передач различных видов информации по одной шине приводит к сокращению числа линий, однако требует идентификации вида передаваемой информации с помощью специальных сигналов. Сигналы идентификации одновременно могут выполнять функции строба при параллельной передаче данных. Дополнительное число линий идентификации невелико.

В системных интерфейсах, служащих для подключения- к ЦП не только контроллеров ПУ, но и ОП, часто реализуют частичное совмещение передачи данных и управляющей информации, а для передачи адреса предусматривается отдельная шина. Это позволяет ускорить обмен, так как при обращении к ОП одновременно используются и данные, и адрес.

 

Среда интерфейса

Центральные и периферийные устройства могут располагаться на значительных расстояниях друг от друга. При этом оказывается, что предельно допустимая скорость передачи данных V, при которой обеспечивается надлежащий уровень достоверности принимаемых данных, зависит от длины линии L. Эта зависимость показана в виде семейства кривых на рис.2.10.

 

Рис 2.10. Зависимость скорости передачи от длины линии.

 

Каждое конкретное положение кривой зависит от среды интерфейса, т.е. физических принципов передачи сигналов (электрический или оптический), типа кабеля (коаксиальный, плоский, скрученная пара (витая пара) и т.п.) или световода (оптоволоконного кабеля), характеристик приемопередатчиков или преобразователей сигналов, наличия шумов и помех. При малых длинах линий (участок 1) максимально допустимая скорость передачи в основном определяется задерж­ками сигналов в приемопередающих и преобразующих устройствах. Для средних длин линий (участок кривых 2) характерно падение скорости пропорционально увеличению длины линии вследствие увеличения емкостной нагрузки на передатчик, роста амплитуды помех от воздействия сигналов, проходящих по соседним линиям, уменьшения амплитуды полезного сигнала из-за увеличения сопротивления линии или увеличения затухания из-за потерь света в оптоволокне. При некоторой критической длине (участок 3), конкретное значение которой зависит от типа линии и способа передачи сигналов, уровень помех становится соизмеримым с уровнем полезного сигнала на входе приемников, что делает невозможным надежное выделение сигнала независимо от скорости передачи данных по линии.

Передача по однонаправленной линии. Передача сигналов по однонаправленной однопроводной электрической линии иллюстрируется схемой на рис.2.11, а.

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. D. Правоспособность иностранцев. - Ограничения в отношении землевладения. - Двоякий смысл своего и чужого в немецкой терминологии. - Приобретение прав гражданства русскими подданными в Финляндии
2. I. Затуманивающее понятие «падаль»
3. I. Наименование создаваемого общества с ограниченной ответственностью и его последующая защита
4. I. Ультразвук. Его виды. Источники ультразвука.
5. I. Характер отбора, лежавшего в основе дивергенции
6. II. Вычленение первого и последнего звука из слова
7. II. Однородные члены предложения могут отделяться от обобщающего слова знаком тире (вместо обычного в таком случае двоеточия), если они выполняют функцию приложения со значением уточнения.
8. II. ПОЛИТИЧЕСКАЯ МЫСЛЬ ДРЕВНЕГО ЕГИПТА (по источнику «ПОУЧЕНИЕ ГЕРАКЛЕОПОЛЬСКОГО ЦАРЯ СВОЕМУ СЫНУ МЕРИКАРА»
9. II. Понятие «инстинктивный труд»
10. II.1. Общая характеристика отклоняющегося поведения несовершеннолетних.
11. III. Проверка полномочий лица, подписывающего договор
12. III. Регламент переговоров и действий машиниста и помощника машиниста в пути следования